Концептуальная модель UML

Для понимания UML необходимо усвоить его концептуальную модель, которая включает в себя три составные части: основные строительные блоки языка, правила их сочетания и некоторые общие для всего языка механизмы. Усвоив эти элементы, вы сумеете читать модели на UML и самостоятельно создавать их (вначале, конечно, не очень сложные). По мере приобретения опыта в работе с языком вы научитесь пользоваться и более развитыми его возможностями.

Словарь языка UML включает три вида строительных блоков:

- сущности;

- отношения;

- диаграммы.

Сущности – это абстракции, являющиеся основными элементами модели. Отношения связывают различные сущности; диаграммы группируют представляющие интерес совокупности сущностей.

В UML имеется четыре типа сущностей:

- структурные;

- поведенческие;

- группирующие;

- аннотационные.

Сущности являются основными объектно-ориентированными блоками языка. С их помощью можно создавать корректные модели.

Структурные сущности – это имена существительные в моделях на языке UML. Как правило, они представляют собой статические части модели, соответствующие концептуальным или физическим элементам системы. Существует семь разновидностей структурных сущностей.

Класс (Class) – это описание совокупности объектов с общими атрибутами, операциями, отношениями и семантикой. Класс реализует один или несколько интерфейсов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, в котором обычно записаны его имя, атрибуты и операции, как показано на рис. 51.

Рис. 51. Классы

Интерфейс (Interface) – это совокупность операций, которые определяют сервис (набор услуг), предоставляемый классом или компонентом. Таким образом, интерфейс описывает видимое извне поведение элемента. Интерфейс может представлять поведение класса или компонента полностью или частично; он определяет только спецификации операций (сигнатуры), но никогда – их реализации. Графически интерфейс изображается в виде круга, под которым пишется его имя, как показано на рис. 52. Интерфейс редко существует сам по себе, обычно он присоединяется к реализующему его классу или компоненту.

Рис. 52. Интерфейсы

Кооперация (Collaboration) определяет взаимодействие; она представляет собой совокупность ролей и других элементов, которые, работая совместно, производят некоторый кооперативный эффект, не сводящийся к простой сумме слагаемых. Кооперация, следовательно, имеет как структурный, так и поведенческий аспект. Один и тот же класс может принимать участие в нескольких кооперациях; таким образом, они являются реализацией образцов поведения, формирующих систему. Графически кооперация изображается в виде эллипса, ограниченного пунктирной линией, в который обычно заключено только имя, как показано на рис. 53.

Рис. 53.Кооперации

Прецедент (Use case) – это описание последовательности выполняемых системой действий, которая производит наблюдаемый результат, значимый для какого-то определенного актера (Actor). Прецедент применяется для структурирования поведенческих сущностей модели. Прецеденты реализуются посредством кооперации. Графически прецедент изображается в виде ограниченного непрерывной линией эллипса, обычно содержащего только его имя, как показано на рис. 54.

Рис. 54. Прецеденты

Три другие сущности – активные классы, компоненты и узлы – подобны классам: они описывают совокупности объектов с общими атрибутами, операциями, отношениями и семантикой. Тем не менее они в достаточной степени отличаются друг от друга и от классов и, учитывая их важность при моделировании определенных аспектов объектно-ориентированных систем, заслуживают специального рассмотрения.

Активным классом (Active class) называется класс, объекты которого вовлечены в один или несколько процессов, или нитей (Threads), и поэтому могут инициировать управляющее воздействие. Активный класс во всем подобен обычному классу, за исключением того, что его объекты представляют собой элементы, деятельность которых осуществляется одновременно с деятельностью других элементов. Графически активный класс изображается так же, как простой класс, но ограничивающий прямоугольник рисуется жирной линией и обычно включает имя, атрибуты и операции, как показано на рис. 55.

Рис. 55. Активные классы

Два оставшихся элемента – компоненты и узлы – также имеют свои особенности. Они соответствуют физическим сущностям системы, в то время как пять предыдущих – концептуальным и логическим сущностям.

Компонент (Component) – это физическая заменяемая часть системы, которая соответствует некоторому набору интерфейсов и обеспечивает его реализацию. В системе можно встретить различные виды устанавливаемых компонентов, такие как СОМ+ или Java Beans, а также компоненты, являющиеся артефактами процесса разработки, например файлы исходного кода. Компонент, как правило, представляет собой физическую упаковку логических элементов, таких как классы, интерфейсы и кооперации. Графически компонент изображается в виде прямоугольника с вкладками, содержащего обычно только имя, как показано на рис. 56.

Рис. 56.Компоненты

Узел (Node) – это элемент реальной (физической) системы, который существует во время функционирования программного комплекса и представляет собой вычислительный ресурс, обычно обладающий как минимум некоторым объемом памяти, а часто еще и способностью обработки. Совокупность компонентов может размещаться в узле, а также мигрировать с одного узла на другой. Графически узел изображается в виде куба, обычно содержащего только имя, как показано на рис. 57.

Рис. 57. Узлы

Эти семь базовых элементов – классы, интерфейсы, кооперации, прецеденты, активные классы, компоненты и узлы – являются основными структурными сущностями, которые могут быть включены в модель UML Существуют также разновидности этих сущностей: актеры, сигналы, утилиты (виды классов), процессы и нити (виды активных классов), приложения, документы, файлы, библиотеки, страницы и таблицы (виды компонентов).

Поведенческие сущности (Behavioral things) являются динамическими составляющими модели UML. Это глаголы языка: они описывают поведение модели во времени и пространстве. Существуют всего два основных типа поведенческих сущностей.

Взаимодействие (Interaction) – это поведение, суть которого заключается в обмене сообщениями (Messages) между объектами в рамках конкретного контекста для достижения определенной цели. С помощью взаимодействия можно описать как отдельную операцию, так и поведение совокупности объектов. Взаимодействие предполагает ряд других элементов, таких как сообщения, последовательности действий (поведение, инициированное сообщением) и связи (между объектами). Графически сообщения изображаются в виде стрелки, над которой почти всегда пишется имя соответствующей операции, как показано на рис. 58.

Рис. 58.Сообщения

Автомат (State machine) – это алгоритм поведения, определяющий последовательность состояний, через которые объект или взаимодействие проходят на протяжении своего жизненного цикла в ответ на различные события, а также реакции на эти события. С помощью автомата можно описать поведение отдельного класса или кооперации классов. С автоматом связан ряд других элементов: состояния, переходы (из одного состояния в другое), события (сущности, инициирующие переходы) и виды действий (реакция на переход). Графически состояние изображается в виде прямоугольника с закругленными углами, содержащего имя и, возможно, подсостояния (рис. 59).

Рис. 59.Состояния

Эти два элемента – взаимодействия и автоматы – являются основными поведенческими сущностями, входящими в модель UML. Семантически они часто бывают связаны с различными структурными элементами, в первую очередь классами, кооперациями и объектами.

Группирующие сущности являются организующими частями модели UML. Это блоки, на которые можно разложить модель. Есть только одна первичная группирующая сущность – пакет.

Пакеты (Packages) представляют собой универсальный механизм организации элементов в группы. В пакет можно поместить структурные, поведенческие и даже другие группирующие сущности. В отличие от компонентов, существующих во время работы программы, пакеты носят чисто концептуальный характер, то есть существуют только во время разработки.

Изображается пакет в виде папки с закладкой, содержащей, как правило, только имя и иногда – содержимое (рис. 60).

Рис. 60.Пакеты

Пакеты – это основные группирующие сущности, с помощью которых можно организовать модель UML. Существуют также вариации пакетов, например каркасы (Frameworks), модели и подсистемы.

Аннотационные сущности – пояснительные части модели UML. Это комментарии для дополнительного описания, разъяснения или замечания к любому элементу модели. Имеется только один базовый тип аннотационных элементов – примечание (Note). Примечание – это просто символ для изображения комментариев или ограничений, присоединенных к элементу или группе элементов. Графически примечание изображается в виде прямоугольника с загнутым краем, содержащим текстовый или графический комментарий, как показано на рис. 61.

Рис. 61.Примечания

Этот элемент является основной аннотационной сущностью, которую можно включать в модель UML. Чаще всего примечания используются, чтобы снабдить диаграммы комментариями или ограничениями, которые можно выразить в виде неформального или формального текста. Существуют вариации этого элемента, например требования, где описывают некое желательное поведение с внешней точки зрения по отношению к модели.

В языке UML определены четыре типа отношений:

- зависимость;

- ассоциация;

- обобщение;

- реализация.

Эти отношения являются основными связующими строительными блоками в UML и применяются для создания корректных моделей.

Зависимость (Dependency) – это семантическое отношение между двумя сущностями, при котором изменение одной из них, независимой, может повлиять на семантику другой, зависимой. Графически зависимость изображается в виде прямой пунктирной линии, часто со стрелкой, которая может содержать метку (рис. 62).

Рис. 62.Зависимости

Ассоциация (Association) – структурное отношение, описывающее совокупность связей; связь – это соединение между объектами. Разновидностью ассоциации является агрегирование (Aggregation) – так называют структурное отношение между целым и его частями. Графически ассоциация изображается в виде прямой линии (иногда завершающейся стрелкой или содержащей метку), рядом с которой могут присутствовать дополнительные обозначения, например кратность и имена ролей. На рис. 63 показан пример отношений этого типа.

Рис. 63.Ассоциации

Обобщение (Generalization) – это отношение «специализация/обобщение», при котором объект специализированного элемента (потомок) может быть подставлен вместо объекта обобщенного элемента (родителя или предка). Таким образом, потомок (Child) наследует структуру и поведение своего родителя (Parent). Графически отношение обобщения изображается в виде линии с незакрашенной стрелкой, указывающей на родителя, как показано на рис. 64. Наконец, реализация (Realization) – это семантическое отношение между классификаторами, при котором один классификатор определяет «контракт», а другой гарантирует его выполнение.

Рис. 64.Обобщения

Отношения реализации встречаются в двух случаях: во-первых, между интерфейсами и реализующими их классами или компонентами, во-вторых, между прецедентами и реализующими их кооперациями. Отношение реализации изображается в виде пунктирной линии с незакрашенной стрелкой, как нечто среднее между отношениями обобщения и зависимости (рис. 65). Четыре описанных элемента являются основными типами отношений, которые можно включать в модели UML. Существуют также их вариации, например уточнение (Refinement), трассировка (Trace), включение и расширение (для зависимостей). Диаграмма в UML – это графическое представление набора элементов, изображаемое чаще всего в виде связанного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями). Диаграммы рисуют для визуализации системы с разных точек зрения. Диаграмма – в некотором смысле одна из проекций системы. Как правило, за исключением наиболее тривиальных случаев, диаграммы дают свернутое представление элементов, из которых составлена система. Один и тот же элемент может присутствовать во всех диаграммах, или только в нескольких (самый распространенный вариант), или не присутствовать ни в одной (очень редко). Теоретически диаграммы могут содержать любые комбинации сущностей и отношений. На практике, однако, применяется сравнительно небольшое количество типовых комбинаций, соответствующих пяти наиболее употребительным видам, которые составляют архитектуру программной системы.

Рис. 65.Реализации

Таким образом, в UML выделяют девять основных типов диаграмм:

- диаграммы классов;

- диаграммы объектов;

- диаграммы прецедентов;

- диаграммы последовательностей;

- диаграммы кооперации;

- диаграммы состояний;

- диаграммы действий;

- диаграммы компонентов;

- диаграммы развертывания.

На диаграмме классов показывают классы, интерфейсы, объекты и кооперации, а также их отношения. При моделировании объектно-ориентированных систем этот тип диаграмм используют чаще всего. Диаграммы классов соответствуют статическому виду системы с точки зрения проектирования. Диаграммы классов, которые включают активные классы, соответствуют статическому виду системы с точки зрения процессов.

На диаграмме объектов представлены объекты и отношения между ними. Они являются статическими «фотографиями» экземпляров сущностей, показанных на диаграммах классов. Диаграммы объектов, как и диаграммы классов, относятся к статическому виду системы с точки зрения проектирования или процессов, но с расчетом на настоящую или макетную реализацию.

На диаграмме прецедентов представлены прецеденты и актеры (частный случай классов), а также отношения между ними. Диаграммы прецедентов относятся к статическому виду системы с точки зрения прецедентов использования. Они особенно важны при организации и моделировании поведения системы.

Диаграммы последовательностей и кооперации являются частными случаями диаграмм взаимодействия. На диаграммах взаимодействия представлены связи между объектами; показаны, в частности, сообщения, которыми объекты могут обмениваться. Диаграммы взаимодействия относятся к динамическому виду системы. При этом диаграммы последовательности отражают временную упорядоченность сообщений, а диаграммы кооперации – структурную организацию обменивающихся сообщениями объектов. Эти диаграммы являются изоморфными, то есть могут быть преобразованы друг в друга.

На диаграммах состояний (Statechart diagrams) представлен автомат, включающий в себя состояния, переходы, события и виды действий. Диаграммы состояний относятся к динамическому виду системы; особенно они важны при моделировании поведения интерфейса, класса или кооперации. Они акцентируют внимание на поведении объекта, зависящем от последовательности событий, что очень полезно для моделирования реактивных систем.

Диаграмма деятельности – это частный случай диаграммы состояний; на ней представлены переходы потока управления от одной деятельности к другой внутри системы. Диаграммы деятельности относятся к динамическому виду системы; они наиболее важны при моделировании ее функционирования и отражают поток управления между объектами.

На диаграмме компонентов представлены организация совокупности компонентов и существующие между ними зависимости. Диаграммы компонентов относятся к статическому виду системы с точки зрения реализации. Они могут быть соотнесены с диаграммами классов, так как компонент обычно отображается на один или несколько классов, интерфейсов или коопераций.

На диаграмме развертывания представлена конфигурация обрабатывающих узлов системы и размещенных в них компонентов. Диаграммы развертывания относятся к статическому виду архитектуры системы с точки зрения развертывания. Они связаны с диаграммами компонентов, поскольку в узле обычно размещаются один или несколько компонентов.

В процессе моделирования реальная система упрощается для лучшего понимания ее структуры. При этом происходит выделение ключевых понятий предметной области.

Диаграмма – графическая проекция элементов, составляющих систему. При рассмотрении статических частей системы используют диаграммы следующих типов, позволяющих рассматривать различные группы сущностей предметной области:

- диаграммы классов;

- диаграммы объектов;

- диаграммы компонентов;

- диаграммы развертывания.

Для работы с динамическими частями системы применяются следующие типы диаграмм:

- диаграммы прецедентов;

- диаграммы последовательностей;

- диаграммы кооперации;

- диаграммы состояний;

- диаграммы деятельности.

Модель системы, используемая в конкретном проекте, дает представление о системе с различных точек зрения. При этом необходимо определить набор представлений, достаточных для решения задачи проекта. Моделирование системы с использованием различных представлений осуществляется следующим образом:

- принятие решения о том, какие виды представлений лучше всего отображают архитектуру системы и возможные риски, связанные с конкретным проектом;

- определение для каждого из выбранных видов набора артефактов, необходимых для отражения его наиболее важных деталей;

- определение диаграмм, которые позволят выполнять контроль разработки и осуществления проекта;

- сохранение копий и версий всех диаграмм, выполненных в проекте.

Можно выделить следующие характеристики, которым должна отвечать хорошо структурированная диаграмма:

- заострение внимания на одном аспекте некоторого представления системы;

- содержание только элементов, существенных для понимания этого аспекта;

- содержание деталей, соответствующих выбранному уровню абстракции.

При графическом построении диаграммы необходимо выполнение следующих правил:

- имя диаграммы по возможности должно соответствовать ее назначению;

- элементы должны быть расположены так, чтобы число пересечений между ними было минимальным;

- элементы, выражающие семантически близкие сущности, должны располагаться на диаграмме рядом;

- при необходимости концентрации внимания на важной части диаграммы допускается ее выделение цветом.

Здесь приведен неполный список диаграмм, применяемых в UML. Инструментальные средства позволяют генерировать и другие диаграммы, но девять перечисленных встречаются на практике чаще всего.

Правила языка UML

Строительные блоки UML нельзя произвольно объединять друг с другом. Как и любой другой язык, UML характеризуется набором правил, определяющих, как должна выглядеть хорошо оформленная модель, то есть семантически самосогласованная и находящаяся в гармонии со всеми моделями, которые с нею связаны.

В языке UML имеются семантические правила, позволяющие корректно и однозначно определять:

- имена, которые можно давать сущностям, отношениям и диаграммам;

- область действия (контекст, в котором имя имеет некоторое значение);

- видимость (когда имена видимы и могут использоваться другими элементами);

- целостность (как элементы должны правильно и согласованно соотноситься друг с другом);

- выполнение (что значит выполнить или имитировать некоторую динамическую модель).

Модели, создаваемые в процессе разработки программных систем, эволюционируют со временем и могут неоднозначно рассматриваться разными участниками проекта в разное время. По этой причине создаются не только хорошо оформленные модели, но и такие, которые:

- содержат скрытые элементы (ряд элементов не показывают, чтобы упростить восприятие);

- неполные (отдельные элементы пропущены);

- несогласованные (целостность модели не гарантируется).

Появление не слишком хорошо оформленных моделей неизбежно в процессе разработки, пока не все детали системы прояснились в полной мере. Правила языка UML побуждают (хотя не требуют) в ходе работы над моделью решать наиболее важные вопросы анализа, проектирования и реализации, в результате чего модель со временем становится хорошо оформленной.